La revolución de las baterías para coches eléctricos: una carrera que no ha hecho más que empezar
John B. Goodenough, Stanley Whittingham y Akira Yoshino. Son los conocidos como padres de las baterías de iones de lito, y el pasado 9 de octubre de 2019 se llevaron el Nobel de Química por su enorme aportación tecnológica y científica.
La esfera de las baterías, definitiva y necesaria para la democratización del coche eléctrico, ha experimentado un auge sin precedentes marcado por notables avances, que evidencian cómo la investigación científica ha conseguido crear prototipos que en la década de 1970, cuando todo empezaba, nadie hubiera podido imaginar.
La creación "de un mundo recargable"
La creación de la batería de iones de litio comenzó con Stanley Whittingham y fue mejorada de forma sucesiva por Goodenough y después por Yoshino, que cerró el círculo de las bases de este descubrimiento.
La base de la batería de iones de litio se sentó durante la crisis del petróleo en la década de 1970 y aquí es donde debemos remontarnos; fue entonces cuando el estadounidense Whittingham comenzó a explorar tecnologías que no precisaran de esta fuente de energía primaria, explica la Real Academia de las Ciencias de Suecia.
Comenzó a investigar superconductores y descubrió un material muy rico en energía, que utilizó para crear un cátodo que nunca antes se había introducido en una batería de litio: estaba hecho de disulfuro de titanio que, a nivel molecular, tiene espacios que pueden albergar iones de litio.
El ánodo de la batería estaba hecho parcialmente de litio metálico, que tiene un fuerte impulso para liberar electrones. Esto dio como resultado una batería que literalmente tenía un gran potencial, un poco más de dos voltios. Sin embargo, el litio metálico es reactivo y la batería era demasiado explosiva para ser viable.
Aquí es donde entra en juego John Goodenough, que predijo que el cátodo tendría un potencial aún mayor si se hiciera usando un óxido metálico en lugar de un sulfuro metálico. Después de una búsqueda sistemática, en 1980 demostró que el óxido de cobalto con iones de litio intercalados podía producir hasta cuatro voltios: el doble. Este fue un avance importante y conduciría a baterías mucho más potentes.
Con el cátodo de Goodenough como base, Akira Yoshino creó la primera batería de iones de litio comercialmente viable en 1985. En lugar de usar litio reactivo en el ánodo, usó coque de petróleo, un material sólido carbonoso que, como el óxido de cobalto del cátodo, puede intercalar iones de litio.
El resultado fue una batería ligera y resistente que podía cargarse cientos de veces antes de que su rendimiento se deteriorara. La ventaja de las baterías de iones de litio es que no se basan en reacciones químicas que descomponen los electrodos, sino en iones de litio que fluyen de un lado a otro entre el ánodo y el cátodo.
Así aterrizaron en 1991 en el mercado estas baterías en pequeños dispositivos electrónicos Sony.
"Esta ligera, recargable y potente batería se utiliza en la actualidad en todas partes, desde los teléfonos móviles a los ordenadores portátiles y los vehículos eléctricos. También puede almacenar cantidades significativas de energía solar y eólica, haciendo posible una sociedad libre de combustibles fósiles". "Ellos crearon un mundo recargable", decía la institución en un comunicado.
Lo cierto es que si bien el coche eléctrico ha conseguido abrir un horizonte lejos de los combustibles fósiles, ha empezado a amenazar otros ecosistemas precisamente por la extracción del ingrediente fundamental de las baterías: el litio, despertando un debate ético acerca del coste humano y medioambiental que supone la electromovilidad.
Por suerte, la ciencia lleva tiempo buscando alternativas al litio, al cobalto y a las tierras raras con sodio, grafeno, azufre, carbono, calcio e incluso depósitos supervolcánicos. Y con técnicas asombrosas que prometen más autonomía, menor coste y mayor vida útil. Veamos algunos de los prototipos más recientes.
La batería del millón de kilómetros
¿Qué? Una batería de iones de litio con una vida útil de un millón de kilómetros perdiendo menos del 10 % de su capacidad.
¿Cómo? El presidente de Tesla, Elon Musk, lleva tiempo prometiendo la batería del millón de millas para coches eléctricos Tesla, y hace poco un grupo de investigadores de Dalhousie University (Nueva Escocia, Canadá), que tiene un acuerdo de exclusividad con Tesla, pblicó un artículo en el que hablaban de esta batería, que usa óxido de litio, níquel, manganeso, cobalto o NMC para el electrodo positivo (cátodo) de la batería y grafito artificial para su electrodo negativo (ánodo).
¿Qué dicen haber conseguido? Optimizar una composición ya conocida en la industria. Por ejemplo, utilizarían cristales más grandes para la formación de las nanoestructuras del cátodo. Al parecer, si los cristales son más grandes, éstos corren menos riesgo de romperse cuando se carga la batería.
Baterías de estado sólido impresas en 3D
¿Qué? Se trata de baterías completas de estado sólido impresas en 3D con una sola máquina. Prometen el doble de energía que las baterías de iones de litio actuales pero a la mitad de precio y mucho más seguras.
¿Cómo? El método de fabricación de la start-up KeraCel, mediante una impresora 3D, se basa en una tecnología a base de polvo (puede ser yeso, metal o arena) desarrollada por el MIT, y que la compañía está en proceso de patentar.
KeraCel dice que puede imprimir en 3D una batería completa dentro de este único proceso; después, la batería se termina en un horno. Esto incluye el ánodo, el cátodo y el material electrolítico a través del cual pasan los iones cargados durante las fases de carga y descarga.
¿Qué dicen haber conseguido? Aseguran que permitirá la producción de celdas con electrolitos a base de cerámica y ánodos de metal de litio para lograr densidades de energía de dos a tres veces mayores, o con un costo de menos del 50 % en comparación con las células de iones de litio que hay actualmente en el mercado para el mismo nivel de energía.
El uso del dióxido de carbono en la electromovilidad
¿Qué? Una batería de dióxido de carbono que se autorecarga sola, allanado el camino para el uso de CO₂ en coches eléctricos.
¿Cómo? Científicos de la universidad del Illinois (Chicago) utilizaron nuevos materiales en su batería experimental para provocar el reciclaje completo tanto de carbonato de litio como de carbono. Utilizaron disulfuro de molibdeno como catalizador de cátodo combinado con un electrolito híbrido para ayudar a incorporar carbono en el proceso de reciclado.
Su combinación de materiales produce un único compuesto de productos de múltiples componentes en lugar de productos separados, lo que hace que el reciclaje sea más eficiente.
¿Qué dicen haber conseguido? Una batería de CO₂ y litio que se recarga totalmente durante 500 ciclos consecutivos, haciendo del reciclaje de energía un proceso altamente eficiente.
Un escudo protector que incrementa la vida útil y la eficiencia
¿Qué? Un nuevo recubrimiento inorgánico para el cátodo de las baterías.
¿Cómo? Los científicos del Departamento de Energía de Estados Unidos han descubierto que la seguridad mejora exponencialmente cuando el electrolito líquido es reemplazado por un sólido inorgánico. Utilizaron una técnica oxidativa de deposición química de vapor para hacer el recubrimiento catódico, que contiene partículas encapsuladas del material del cátodo de níquel-manganeso-cobalto con un polímero que contiene azufre y que proporciona protección extra al electrolito durante el proceso de carga y descarga de la batería.
¿Qué dicen haber conseguido? Según los resultados, han conseguido una notable estabilidad electroquímica de la batería tras muchos ciclos de carga y descarga, y facilita además el flujo de iones de litio y electrones. Este material podría permitir cargas y descargas más rápidas sin que la batería pierda rendimiento, más seguridad, una mayor vida útil y ser además la base para la próxima generación de baterías de estado sólido.
Tiempos récord de recarga de baterías
¿Qué? Recargas para coches eléctricos y teléfonos móviles de solo 6 minutos
¿Cómo? Los investigadores de la start-up Echion Technologies han desarrollado un tipo de polvo o sal que reemplaza el grafito dentro de las celdas de la batería de iones de litio. El cátodo seguiría siendo el de siempre pero introducen en el ánodo un ingrediente 'secreto' en forma de polvo o sal y del que no han desvelado detalles que sustituiría al grafito. Y es que el electrolito habitual de las baterías de litio es de sal de litio, un material que puede ser inflamable cuando se le somete a tiempos de recarga muy rápidos.
¿Qué dicen haber conseguido? Aseguran que están desarrollando un componente clave que va a permitir aumentar el rendimiento de las baterías sin dendritas de litio peligrosas, sin necesidad de recurrir a materias primas caras o tierras raras y que simplemente se "colocan" en la celda de batería existente sin costes adicionales.
Esto permitiría reducir la recarga de las baterías de un vehículo eléctrico de 45 a 6 minutos.
Bonus track: un techo solar invisible que aumenta la autonomía
¿Qué? Aunque no se trate de baterías, merece la pena hablar de un revolucionario techo solar invisible que esconde las células pero deja pasar la luz.
¿Cómo? Para integrar la energía fotovoltaica en el techo de un automóvil eléctrico, los investigadores del instituto de Ingeniería Industrial Fraunhofer han desarrollado la interconexión de tejas: las células solares de silicio monocristalinas se superponen entre sí y están conectadas eléctricamente con un adhesivo conductor.
Esto evita que haya superficies inactivas debido a los huecos de las celdas y también que se pierda energía. Las células solares están además completamente ocultas por un revestimiento de color especial llamado Morpho-Color que deja pasar la luz y a la vez permite un abanico de tonalidades "casi infinito".
¿Qué dicen haber conseguido? Este invento promete 10 km de autonomía diaria extra para los coches eléctricos solo con la luz del sol en días soleados, y al cabo de un año esta autonomía se puede extender un 10 %.
La lista de avances en materia de baterías y coches eléctricos es interminable; mientras este artículo está en desarrollo, multitud de investigadores hallan nuevas formas de superar la tecnología actual y demuestran lo que la ciencia es capaz de aportar. Por todo ello, ¡que viva la investigación científica!
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